Des nanotubes perlés de carbone - Paris 11 Février 2005


Des physiciens français (CNRS/Université Montpellier 2) et américains (1) ont découvert des billes de carbone accrochées sur des nanotubes, comme des perles de rosée sur une toile d'araignée. Elles témoignent du rôle du carbone liquide dans la croissance des nanotubes, jusqu'ici supposés se former à partir de vapeur de carbone. Ce mécanisme, publié dans la revue Science du 11 février, rejoint ceux que l'on rencontre en métallurgie, où les cristaux se forment à partir d'un liquide. Sa compréhension est d'autant plus importante que les nanotubes semblent promis à un avenir technologique prometteur.

Les nanotubes constituent l'une des formes de carbone pur connues à ce jour, comprenant notamment le diamant, le graphite et les fullerènes, ces grosses molécules en forme de ballon de football. Il s'agit de structures tubulaires constituées d'un ou de plusieurs feuillets de carbone enroulés sur eux-mêmes, pour former un cylindre de 10 à 50 nanomètres (2) de diamètre. Depuis leur découverte, il y a une dizaine d'années, ces nouveaux matériaux sont devenus un énorme enjeu pour la technologie de demain : ils sont à la fois flexibles et résistants, ont des propriétés de conduction remarquables et sont stables. Ces caractéristiques en font de bons candidats pour les matériaux composites, l'électronique, les capteurs, ou même pour stocker l'hydrogène. Dans ce contexte, il est important de comprendre comment ils se forment.

 

Les nanotubes sont produits soit par des processus catalytiques, soit par la méthode « à arc électrique ». C'est de cette dernière méthode que sont issus les nanotubes à billes de carbone. Elle consiste à mettre deux barreaux de graphite, éloignés d'un à deux millimètres l'un de l'autre, dans un four sous atmosphère d'hélium. Puis on  fait passer un courant dans les barreaux pour déclencher un arc électrique. Au final, on récupère des aiguilles de nanotubes sur l'un des barreaux, correspondant à la cathode.

 

Jusqu'à présent, tous les mécanismes invoqués mettaient en jeu une phase vapeur : on imaginait que le carbone de l'anode se vaporisait sous l'effet de l'arc (5000°C) et venait cristalliser sur la cathode. Dans l'étude publiée par Science, les scientifiques ont montré que le mécanisme de formation des nanotubes implique du carbone fondu. Au départ, ils ont découvert les perles par hasard. En étudiant les aiguilles au microscope électronique, ils ont constaté que ces perles sont présentes uniquement à la périphérie des aiguilles. Les analyses de composition chimique et par diffraction ont révélé qu'il s'agissait bien de carbone pur et amorphe. En outre, les billes faisaient penser à des restes de liquide : dans la nature, lorsqu'un fil est recouvert de liquide, ce dernier forme des gouttes, comme les perles de rosée sur une toile d'araignée. De même, la condensation sur un tuyau d'arrosage produit non pas un film d'épaisseur uniforme, mais des gouttes.

 

Grâce à ce travail, les chercheurs ont eu l'occasion d'étudier le comportement du carbone liquide (très mal connu car il s'évapore très vite) et de voir qu'il est comparable à celui des autres liquides. Selon le scénario qu'ils ont élaboré, les nanotubes se forment, comme la plupart des cristaux, à partir d'une phase liquide en refroidissement. L'arc électrique crée une goutte de carbone à l'anode, qui s'évapore jusqu'à ce que la pression du gaz de carbone quittant la goutte soit égale à la pression d'hélium dans le four, stabilisant ainsi le carbone liquide. La goutte continue alors à se refroidir par convection et ses bords deviennent de plus en plus visqueux. A l'intérieur, le liquide refroidit lentement. Les nanotubes y cristallisent, en se collant les uns aux autres pour constituer une aiguille. Le carbone visqueux, qui recouvre l'aiguille de nanotubes, forme alors des billes de verre de carbone sur les nanotubes.


(.../...)

Notes :
(1) du Laboratoire étude des propriété électroniques des solides (CNRS) à Grenoble, du Groupe de dynamique des phases condensées (CNRS/Université Montpellier II) et de l'Institut de technologies de Géorgie à Atlanta.
(2) 10-9 mètres, soit un millionième de milimètre.


Références :
Liquid Carbon, Carbon-Glass Beads, and the Crystallization of Carbon Nanotubes, Science, 11 février 2005, Walt A. de Heer, Philippe Poncharal, Claire Berger, Joseph Gezo, Zhimin Song; Jefferson Bettini, Daniel Ugarte.


Contacts :
Contact chercheur :
Claire Berger (à Atlanta)
Tél : 00 1 40 48 94 78 80
Mél : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Contact presse :
Claire Le Poulennec
Tél : 01 44 96 49 88, Mél : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Contact département des Sciences physiques et mathématiques du CNRS :
Frédérique Laubenheimer
Tél : 01 44 96 42 63, Mél : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.



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